基于双区加热法的汽轮机蒸汽湿度测量误差分析研究.pdf

3 32 0 0 7 年第 1 期 技术论坛 中国仪器仪表 蒸汽湿度的测量对汽轮机安全经济运行具有重要 意义。用于汽轮机内流动湿蒸汽湿度的测量方法有 热力学法和光学法。其中热力学法测量技术主要有节 流法、加热法、凝结法、蒸汽一空气混合法。 热力学法中加热法的测量精度较高，适合用于汽 轮机排汽湿度的测量。传统的加热法湿度测量探针以 C E R L 探针为代表，其工作原理如图 1 所示。 抽取具有代表性的湿蒸汽， 进口状态参数为质量 m 、压力 P1、湿度 Y及速度 U1，并将其在工作段中加 热到干饱和蒸汽状态或过热状态，加热元件所产生 的加热量为 Q,散热损失量为 q , 加热后的状态参 数为压力 P2及温度 T2，根据质能守恒关系可得到进 出口的焓值，通过查焓熵图，即可确定工作段进 口的湿度。 C E R L 湿度探针采用由内管和外管组成的套管式工 作段，在套管夹层中抽成真空，以减小散热损失，但 在进行湿度的计算时忽略了散热量，导致测量精度降 低。并且要在取样蒸汽凝结成水后才能测量其流量， 因而需要一套独立的高真空凝结设备，所以测量系统 结构复杂。 基于双区加热法的汽轮机蒸汽湿度 测量误差分析研究 T h eA n a l y s i sa n dS t u d yo nT u r b i n eW e t n e s sM e a s u r e m e n tE r r o r B a s e do nR e g i o n - h e a t i n g 肖湘刘波峰李群林赵静 湖南大学电气与信息工程学院（长沙4 1 0 0 8 2 ） 摘要 蒸汽湿度对汽轮机的安全性和经济性有着重要的影响。基于双区加热法湿度测量理论， 本文充分 考虑到取样流量、 散热损失以及汽化长度等因素对双区加热探针湿度测量方法的影响， 通过建立数学模型， 对 双区加热法测量原理及测量误差进行分析， 为优化探针结构设计、 提高测量精度提供了理论依据。 Abstract Steam wetness has great influence onsafety and efficiency for steam turbine. This paper takes sampling flux, theloss of heatandevaporationtubelength intoaccount thatbased onregion-heatingtheory. Through establishing mathmodel,itanalyses theprincipleanderrorof region-heatingmeasurement. Italso offerstheoryfor enhancingdesign of probe structure and improving precision of measurement. 关键词汽轮机双区加热法蒸汽湿度测量非动能取样散热量 K e yw o r d s S t e a mt u r b i n eR e g i o n - h e a t i n gS t e a mw e t n e s sm e a s u r e m e n tS a m p l eu n e q u a l l y L o s so fh e a t 1引言 图 1 加热法湿度测量探针原理图 1 冷凝器;2凝结水容器;3 真空泵;4冷却水泵;5 探针 至流量测量装置 冷却水 4 2 1 P2T2Q - q 加热段5 P1U1Ym 3 2 0 0 7年第 1期3 4 综述 中国仪器仪表 如图 2 所示，双区加热法可以看成是一个理想的 定容加热过程，其探针结构可等效为等直径的圆管。 圆管分为蒸发段 L0和过热段 L1两个段， 两管采用绝热 垫片隔开，尽可能的减少两管间的热交换，两管间可 视为绝热。 在蒸发段内湿蒸汽被电加热器加热成为过热蒸汽， 由蒸发段出来的过热蒸汽在过热段内被继续加热到较 大的过热度。依据热平衡，通过测量蒸发段进口的饱 和压力 P0（或饱和温度 t0） ，蒸发段出口的温度 tl（即 过热段进口的温度） 、 蒸发段出口的压力 Pl（即过热段 进口的压力）和过热段出口的温度 t2、压力 P2，以及 两个加热段传给蒸汽的加热量 Q0、Ql，即可计算出蒸 发段入口处湿蒸汽的湿度 Y0。由于整个过程可近似为 定压过程，于是有蒸发段和过热段的能量方程以及饱 和蒸汽焓的计算，可得到蒸发段入口处饱和蒸汽湿度 的计算公式 其中 m 为蒸汽质量流量； v0 、v0 分别为饱和压力 P0下的饱和汽比容和饱 和水比容； A 为汽相和液相各自所占的横截面积之和； h0 、 h0 为饱和压力P0下的饱和汽焓和饱和水焓。 3 . 1非动能取样 根据双区加热法的测量原理，进入测湿探针的被 测蒸汽必须具有代表性，对蒸汽的取样应在等动能的 条件下进行，才能保证测量的准确度。如果在非等动 能情况下取样，探针的吸入取样速度和湿蒸汽来流速 度不相等，因此流向探头附近的湿蒸汽汽流的方向将 会改变。 由于液相水滴的密度是汽相蒸汽密度的 1 0 0 0 倍以上， 所以当取样时吸入速度和来流速度不相等时， 水滴会因惯性力的作用而脱离弯曲的汽流流线，造成 取样误差。假设在取样探头对准蒸汽来流的情况下， 当吸入取样速度 C 小于蒸汽来流速度 C0时，取样蒸汽 的湿度将偏高，取样水滴的平均直径将偏大。同样， 当吸入取样速度 C 大于蒸汽来流速度 V0时，取样蒸汽 的湿度将偏低，取样水滴的平均直径将偏小。 在实际运用中，由于刚进入探头的湿蒸汽未受到 加热作用，可忽略相变的影响，采用气液两相流的基 本方法进行分析，如图 3 所示。 当等动能取样时，单位时间内进入探头的湿蒸汽 液相体积流量为 当非等动能取样时，假设在惯性作用下，单位时 间内有 x ％的水滴脱离蒸汽流运动轨迹进入探头内， 则此时的湿蒸汽液相体积流量为 而实际进入探头的液相体积流量 QL为 在非等动能取样时，单位时间内进入探头的实际 液相体积流量应为 （5 ） 将式（2 ） 、 （3 ） 、 （4 ）代入式（5 ） ，可得湿度相对 误差为 图 2 双区加热法测量湿蒸汽原理图 L0L1 t 0，p0，v0t2，p2，v2 C0Q0 C1 Q1C1 ２双区加热法测量湿度原理 0 22 2 41 3 21 （1 ） 1 2 00 2 2 2 2 000- 200 3 2 0 2 20- 2 10- 1 2 水滴轨迹 蒸气流线 C0 C 图 3 非等动能取样原理 ３双区加热法的误差分析 0 （2 ） 00 （3 ） （4 ） 3 52 0 0 7 年第 1 期 综述 中国仪器仪表 式（2 ） 式（6 ）中 WL为液相质量流量； L为液相密度； C ，C0分别为取样速度和来流速度； Y ， Y0分别为进入探头内的湿度和湿蒸汽来流湿度 （即真实湿度） ； S为探头截面积。 3 . 2蒸发段和过热段的散热量 由于双区加热法是根据蒸发段和过热段的压力、 温度和加热量等参数确定蒸汽湿度，所以蒸发段和过 热段的热量损失必将影响测量精度。在加热法测湿装 置中，为了减小内管向外的各种散热损失，将内外管 夹层空间抽成真空，但该法只是部分而不是全部避免 了夹层空间的对流换热损失， 热辐射损失却难以避免， 从而降低了湿度测量的精度。因此，为提高蒸汽湿度 测量的精度，有必要对探针散热量进行研究。 假设探针的外直径小于探针长度的 1 / 1 0 ， 并且探 针在测量蒸汽湿度时，如果对蒸汽均匀加热并保持加 热功率不变，并且达到了相对稳定的状态（即探针内 外壁的温度变化△t ≈0 ） ，则探针的轴向散热量可忽 略不计，可以认为管内温度仅沿半径方向变化，即 t f d 。又由于探针内壁面与流动的湿蒸汽相接触，探 针外壁面与流动的空气相接触，并假设探针内外对流 换热系数分别为 a1和 a2，则该系统的导热模型可归纳 为第三类边界条件，如图４所示。 根据牛顿冷却公式和能量守恒定律，单位时间由 于对流换热，从物体单位表面积上带走的热量应等于 单位时间内由于导热从物体内部传导给单位表面积的 热量。因此，根据已知的绝热材料导热率 并计算出 热流密度，就很容易计算出探针的散热量。 以蒸发段为例， 管内湿蒸汽向探针内壁传递热量， 其热流密度为 q1，由一维稳态导热和牛顿冷却公式可 写出如下关系式 1111（7 ） 由管外壁向空气传递热量，其热流密度 q2为 2222（8 ） 由管内壁向管外壁传递热量，其热流密度 q3为 式（7 ） 式（9 ）中 ti n，to u t分别为探针内外壁的温度； tf 1，tf 2分别为蒸发段探针内湿蒸汽温度和探针外 空气温度； a1，a2分别为探针内外对流换热系数； d1，d2分别为探针的内直径和外直径； 为包覆在探针加热元件外面的绝热材料的导热 系数。 在稳态稳流的条件下，q1 q2 q3。于是对式（7 ） 式（9 ）各方程进行联立求解，消去未知数 ti n和 to u t， 可得单位管长的热流密度 q 为 选择探针外侧表面作为传热计算面积，于是可得 蒸发段的散热量 Q0为 式（1 1 ）中，L0为蒸发段的长度。 同理，可得过热段的散热量 Q1为 式中，tf 1 ，tf 2 分别为过热段探针内湿蒸汽温度 和探针外空气温度 ； L1为过热段的长度。 当蒸发段和加热段的加热功率分别为 W0，W1时， 两个段传给蒸汽的实际加热量 Q 0和 Q 1分别为 000（1 3 ） 111（1 4 ） （下转第 5 2 页） 0 0 1 0 0 1 0 0 0 （6 ） d2d 1 L0L1 to u t t f 2 ti n t i n tf 1 to u t t f 2 绝热垫片 图 4 第三类边界条件导热模型 3 -/ 1 2 l n 2 1 （9 ） 12 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2 （1 0 ） l n 0 2120 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2 （1 1 ） l n 1 2121 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2 （1 2 ） l n 2 0 0 7年第 1期5 28 6 3 电动汽车重大专项（项目编号2 0 0 3 A A 5 0 1 0 3 3 ） 技术论坛 中国仪器仪表 3 （c ）为通过低通数字滤波器（F I R ）以后的信号，滤 波器的截止频率设为 1 0 H z ， 可以看出滤波效果非常明 显；图 3 （d ）为滤波后信号的 F F T 频谱。 在采集数据的同时也实现对信号的实时分析与处 理， 并能直观地看到仿真效果。 同时也可以在线修改， 直到满意为止，这样后续信号处理电路所需的滤波器 也已经设计完成。 由此可知，只要事先了解所用数据采集卡（或设 备）的驱动程序的功能和明确的程序开发应用目的， 在L a b V I E W 中进行数据采集程序的开发十分方便快捷。 编程者无需懂得硬件的专门知识，除了不需要考虑驱 动程序的编写之外，在 L a b V I E W 中对各种控件的控制 也很简单，因此编程者可把主要精力集中在概念和算 法的设计上。 数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实 验室研究和工业自动化领域广泛存在的任务。建立在 通用计算机和数据采集设备基础上的数据采集系统具 有一机多用、 用户自定义功能和使用维护方便等特点, 代表了今后仪器的发展方向。 参考文献 1金阳. L a b V I E W 在数据采集中的应用. 湖北汽车工业学 院学报， 2 0 0 2 ， 1 6（4 ） 1 1 1 4 . 2 蔡春丽. 虚拟仪器技术及其软件开发平台L a b V I E W . 重 庆职业技术学院学报, 2 0 0 4 ， 1 3（4 ） 1 0 2 1 0 3 . 3 杜玉玲. 基于 L a b V I E W 和 P C I - 7 4 2 2 的数据采集系统设 计. 淮海工学院学报 （自然科学版） ， 2 0 0 4 ， 1 3（1 ） 1 5 1 7 . 4 候国屏， 王坤， 叶齐鑫.L a b V I E W 7 . 1 编程与虚拟仪器 设计. 清华大学出版社， 2 0 0 5 . 5 周林，殷侠等.数据采集与分析技术. 西安电子科技大 学出版社,2 0 0 5 . 3结论 （上接第 3 5 页） 除了散热量和取样流量的损失外，将湿蒸汽加热 到单相状态的汽化长度是否准确也是影响测量精度的 一个因素。文献 9 对汽化长度做了分析和计算，在计 算过程中水滴直径采用临界韦伯数对应的最大稳定水 滴直径，可以确保大水滴能够被完全蒸发。计算汽化 长度过程中还可以得到对应的蒸发段出口处的管壁温 度，管壁温度对加热功率的变化很敏感，在测量时依 据该温度来调整加热功率，以确保水滴完全汽化。 双区加热法是对加热法的改进，省去了加热法测 流量所需的高真空凝结设备，测量时对设备及正常运 转没有副作用。但测量时应充分考虑到取样流量、散 热量及汽化长度等因素的影响。本文通过建立数学模 型，求解出取样流量、散热量计算式，为优化加热法 湿度测量探针提供了理论依据。 参考文献 1 王建国， 郝铭， 杨善让． 容加热式饱和蒸汽湿度监测仪 研制． 工业仪表与自动化装置， 2 0 0 3 ， 3 . 2 王升龙， 杨善让， 王建国， 齐冰， 赵贺. 汽轮机排汽湿 度的在线监测方法及工业试验研究.中国电机工程学 报，2 0 0 5 ， 9 . 3 高庆忠， 黄俊峰， 张苗苗. 一种新型汽轮机排汽湿度 在线监测仪. 吉林电力， 2 0 0 5 ， 3 . 4李炎锋， 王新军， 徐廷相. 新型测量流动湿蒸汽湿度装 置中取样结构的研究. 汽轮机技术， 1 9 9 9 ， 4 . 5M .J .M o o r e ,C .H .S i e v e r d i n g .T w o - P h a s eS t e a m F l o wi nT u r b i n e sa n dS e p a r a t o r s .H e m i s p h e r eP u b - l i s h i n gC o r p o r a t i o n , 9 7 6 . 6C r a n e ， R .I . ＆ M o o r e ， M . J ． I n t e r p r e t a t i o no fP i t o t P r e s s u r ei nC o m p r e s s i b l eT w o - P h a s eF l o w . J o u r n a lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e , 1 9 7 2 ， 1 4（2 ） 1 2 8 1 3 3 . 7 M o o r e , M . J . T h eM e a s u r e m e n to fS t e a mT u r b i n ei n O p e r a ti n gT u r b i n e s .S i x t hT h e r m o d y n a m i c sa n dF l u - i dM e c h a n i cC o n v e c t i o n . I n s t h . E n g r s . , 1 9 7 6 1 1 2 9 . 8林宗虎等. 气液两相流和沸腾传热. 西安交通大学 出版社， 2 0 0 3 . 9王升龙． 加热法蒸汽湿度监测模型研究． 东北电力学 院动力工程系， 2 0 0 0 . 1 0 姚仲鹏， 王瑞君， 张习军. 传热学.北京理工大学出版 社. 1 9 9 5 . ４结论